專利名稱：石油鉆頭故障診斷試驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一套新穎、小型、實用的用于在實驗室進行石油鉆井用三牙輪鉆頭的
故障診斷試驗裝置，裝置可以驅(qū)動鉆頭以不同的速度旋轉(zhuǎn)，可以施加一定的模擬鉆壓，可用于試驗診斷石油鉆頭主要部件(牙輪、軸承)是否正常，裝置可使鉆頭方便緊扣、卸扣(無須使用其它專用工具)，配有拉壓傳感器、速度傳感器、三向加速度計的安裝接口 ，并配備有自行開發(fā)的專用的鉆頭故障診斷軟件系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
石油鉆井中井下鉆頭的是否損壞，通常是憑經(jīng)驗來判斷的，在深井鉆井中，一次起下鉆往往需要很長的時間，其消耗的能源、動用的設(shè)備、鉆桿的頻繁松擰、工人的勞動強度都是很大的。由于情況不明，如果鉆頭尚能正常工作而被起出，上述的人力物力就被白白浪費了，甚至還會對鉆井生產(chǎn)帶來安全隱患。為了做到能對井下鉆頭的損壞情況有科學的確定方法并做到心中有數(shù)，研制開發(fā)一種鉆頭故障診斷系統(tǒng)是十分必要的。它對于正確確定井下鉆頭的好壞、提高石油鉆井的科學水平、保證鉆井質(zhì)量和安全生產(chǎn)、節(jié)約大量的人力物力、節(jié)能降耗，都具有積極的意義，具有巨大的社會和經(jīng)濟效益。由于石油鉆井工況惡劣、現(xiàn)場條件差，用什么方法能測量到井下鉆頭的狀況信息？井下情況經(jīng)過數(shù)千米的傳輸如何保證不衰減？傳感器如何安裝在旋轉(zhuǎn)著的鉆桿上？用電纜輸送信號既不方便又很容易損壞，這一系列的問題制約了井下鉆頭故障診斷系統(tǒng)研制開發(fā)，到目前為止，尚沒有發(fā)現(xiàn)有成功的井下鉆頭故障診斷系統(tǒng)。 為了解決石油鉆頭的故障診斷問題，設(shè)想先在實驗室對常用的三牙輪鉆頭(以下簡稱鉆頭)的各種故障狀態(tài)進行診斷識別，通過在試驗臺上模擬鉆頭的受壓加載、不同轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)等狀態(tài)，將各種不同狀態(tài)的鉆頭(正常、牙輪故障、軸承故障等)放在試驗臺上進行試驗診斷，研究其狀態(tài)特征，其分析結(jié)果和診斷知識(經(jīng)驗)可以為進行井下鉆頭故障診斷提供依據(jù)和積累經(jīng)驗，為進一步研制開發(fā)井下鉆頭故障診斷系統(tǒng)提供依據(jù)，這種試驗裝置必須既具備轉(zhuǎn)速可調(diào)、可以加鉆壓，又結(jié)構(gòu)簡單、小型、應用方便，能實現(xiàn)鉆頭的故障診斷，這就是本發(fā)明所提供的石油鉆頭故障診斷試驗裝置的背景和意義所在。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一套在實驗室對油田鉆井用三牙輪石油鉆頭(以下簡稱鉆頭)故障診斷裝置，該系統(tǒng)具有功能齊全、結(jié)構(gòu)簡單、小型、應用方便的特點，既能較好地模擬鉆頭加載運轉(zhuǎn)，又可以用于對鉆頭進行故障診斷。 本發(fā)明所提供的試驗裝置(見附圖1)利用變頻器控制電機可調(diào)節(jié)鉆頭的轉(zhuǎn)速，配置位置傳感器測量轉(zhuǎn)速，配置三向加速度計測量鉆頭的振動狀況，鉆頭工作臺可通過千斤頂實現(xiàn)上下移動以對鉆頭進行加載，壓力的變化由拉壓力傳感器測試反映。裝置體型小
(長寬高為1200 : 1200 : 2800(mm))，適用于實驗室使用。裝置配備有專門方便鉆頭
上卸扣的專用短接和鉆頭盒，專用短接聯(lián)結(jié)轉(zhuǎn)軸和鉆頭，鉆頭盒用于鉆頭上卸扣時放置鉆
3頭用，當鉆頭放入鉆頭盒時，鉆頭盒固定不動，通過變頻器控制電機帶動專用短接正反向旋轉(zhuǎn)以使得鉆頭上、卸扣(無須其它專用工具)。鉆頭工作臺上裝有可以讓鉆頭在其上進行模擬旋轉(zhuǎn)鉆井切削的模擬地層，工作臺下部裝有四個彈簧支撐以減少裝置振動。
裝置有別于其它鉆頭試驗架的顯著特點是①小型實用，功能齊全。試驗裝置主體——試驗臺體型小、占地省(僅長1. 2m，寬1. 2m，高2. 8m)，耗能省，啟動、操作、加鉆壓、運轉(zhuǎn)、參數(shù)測試都十分方便，擰扣、松扣能自動進行，配有特殊的減振系統(tǒng)，適合實驗室研究；②配置有專門的狀態(tài)測試故障診斷軟硬件系統(tǒng)。軟件部分的特征在于利用NI公司提供的1/0接口設(shè)備，使用Labwindows/CVI語言自行開發(fā)的一套對鉆頭振動信號進行測試分析和故障診斷的軟件系統(tǒng)。試驗中鉆頭的轉(zhuǎn)速由位移傳感器測得，XYZ三個方向的振動信號經(jīng)加速度計測得并通過電荷放大器放大，再通過接線盒及數(shù)據(jù)采集卡輸入計算機由自行開發(fā)的故障診斷軟件處理診斷，從而確定鉆頭是否正常，以及能診斷出牙輪脫落或因軸承故障而引起的牙輪卡死等鉆頭故障。


圖1本發(fā)明所提出的石油鉆頭故障診斷試驗裝置及測點布置簡圖。其中1減速電機；2定位軸；3上底板；4鉆頭；5工作臺；6中間底板；7拉壓力傳感器；8立柱；9底座；10碟簧組件；11螺旋千斤頂；12深溝球軸承；13推力球軸承；14深溝球軸承。
圖2本發(fā)明所提出的測點布置及信號采集系統(tǒng)原理簡圖。
圖3本發(fā)明所提出的石油鉆頭信號分析及故障診斷原理。
具體實施例方式
下面將結(jié)合附圖進一步對這套裝置進行描述。
1.試驗臺結(jié)構(gòu) 由附圖1可見，試驗臺由1減速電機、2定位軸、3上底板、4鉆頭、5工作臺、6中間底板、7拉壓力傳感器、8立柱、9底座、10碟簧組件、11螺旋千斤頂、12深溝球軸承、13推力球軸承、14深溝球軸承等部件所構(gòu)成，其中減速電機由于驅(qū)動轉(zhuǎn)軸帶動專用短接聯(lián)結(jié)鉆頭4旋轉(zhuǎn)，工作臺5用于安放模擬地層供鉆頭鉆進，中間底板6用于安放工作臺5，立柱8用于工作臺5上下導向，碟簧組件10用于減小系統(tǒng)振動，拉壓力傳感器7用于測量加載壓力，螺
旋千斤頂ll用于加載。
2.加載系統(tǒng) 由螺旋千斤頂11推動工作臺5在立柱8上上下移動，上行后將給工作臺5提供一定的壓力。螺旋千斤頂11的位置如附圖1所示。
3.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 由采集卡，接線盒，計算機及各傳感器等組成如附圖2，其中拉壓力傳感器用于測量加載的壓力，由人工讀?。晃恢脗鞲衅饔糜跍y量鉆頭的轉(zhuǎn)動周期；三向壓電加速度傳感器從X、 Y、 Z三個方向測量鉆頭軸承的振動信號，通過電荷放大器放大，經(jīng)接線盒由數(shù)據(jù)采集卡進行A/D變換由專用計算機鉆頭故障軟件進行故障診斷。 鉆頭試驗的信號采集系統(tǒng)原理如附圖2所示，附圖2顯示了測取鉆頭轉(zhuǎn)速、鉆頭承受壓力及振動信號的相應傳感器的安裝位置，傳感器與二次儀表(電荷放大器)的聯(lián)結(jié)路徑，以及計算機數(shù)據(jù)采集的聯(lián)結(jié)路徑。 附圖3提供了石油鉆頭信號分析及故障診斷的原理。
4.工作原理 將鉆頭安裝在試驗臺立柱下的專用短接上后，通過變頻器控制減速電機1驅(qū)動鉆 頭4的旋轉(zhuǎn)，通過螺旋千斤頂11推動工作臺5在立柱8上上下移動，上行后鉆頭4將給工作 臺5施加一定的壓力，鉆頭4在工作臺5上裝設(shè)的模擬地層上進行帶負載鉆進(見附圖1)。 所加壓力通過拉壓力傳感器7讀得，鉆頭4的轉(zhuǎn)速和XYZ三個方向的振動加速度分別通過 位置傳感器和三向加速度計測得并通過接線盒幾數(shù)據(jù)采集卡送給計算機由故障診斷軟件 處理診斷(見附圖2)。研制開發(fā)的鉆頭故障診斷系統(tǒng)通過對測得的三向振動信號進行信號 處理(見附圖3)，在測試信號頻譜分析的基礎(chǔ)上，通過將自功率譜數(shù)據(jù)作為診斷特征向量， 在大量實驗研究的基礎(chǔ)上，借助于人工神經(jīng)網(wǎng)絡中的多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(BP網(wǎng)絡)，實現(xiàn)信 號處理中的頻譜分析技術(shù)與狀態(tài)識別中的人工神經(jīng)網(wǎng)絡的結(jié)合。所開發(fā)的軟件可準確判斷 出鉆頭是處于正常狀況或牙輪掉齒故障或牙輪軸承故障狀況。
5、其它特點 可使用變頻器控制主軸自動裝卸鉆頭而無須任何其它專用工具，正轉(zhuǎn)安裝鉆頭， 反轉(zhuǎn)卸下鉆頭。 安裝鉆頭將鉆頭放入鉆頭盒，放置在工作臺上；提升千斤頂使鉆頭的絲扣與短 接對中并相接觸；固定好鉆頭盒；打開變頻器(正轉(zhuǎn))緩慢調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速(不超過30Hz)，將鉆 頭扣上。 卸下鉆頭將鉆頭盒放置在工作臺上，利用千斤頂頂升工作臺使鉆頭對準并將鉆 頭下部放置在鉆頭盒內(nèi)；將鉆頭盒固定在工作臺上，反轉(zhuǎn)變頻器(頻率50Hz，不超過20 秒)，鉆頭松動后將頻率調(diào)至較小值直至鉆頭落入鉆頭盒中。 雙重減振系統(tǒng)裝置底部的碟簧組件用于減小系統(tǒng)振動，工作臺下裝有彈簧系統(tǒng) 以減少臺面振動，由此保證鉆頭正常轉(zhuǎn)動，系統(tǒng)平穩(wěn)工作。
權(quán)利要求
這種用于石油鉆頭故障診斷的試驗裝置，其特征在于利用變頻器控制減速電機(1)調(diào)節(jié)鉆頭(4)的轉(zhuǎn)速，鉆頭工作臺(5)可通過螺旋千斤頂(11)實現(xiàn)上下移動以對鉆頭(4)進行加載，壓力的變化由拉壓力傳感器測試反映。裝置配備有用于鉆頭(4)上卸扣的專用短接和鉆頭盒，專用短接聯(lián)結(jié)轉(zhuǎn)軸和鉆頭(4)，鉆頭盒用于鉆頭上卸扣時放置鉆頭用，當鉆頭(4)放入鉆頭盒時，鉆頭盒固定不動，通過變頻器控制減速電機(1)帶動專用短接正反向旋轉(zhuǎn)以使得鉆頭(4)上、卸扣。鉆頭工作臺(5)上裝有可以讓鉆頭(4)在其上進行模擬旋轉(zhuǎn)鉆井切削的模擬地層，工作臺下部裝有彈簧、千斤頂?shù)撞垦b有碟簧組件(10)以減少振動。油田鉆井用三牙輪鉆頭可在試驗臺上進行旋轉(zhuǎn)、加載、模擬鉆進并通過故障診斷系統(tǒng)進行振動信號采集處理和故障診斷，從而確定鉆頭是否正常，以及能診斷出牙輪脫落或因軸承故障而引起的牙輪卡死等鉆頭故障。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的試驗臺體型小、占地省(長1. 2米，寬1. 2米，高2. 8米)并配有專用的故障診斷測試分析系統(tǒng)。試驗中鉆頭的轉(zhuǎn)速由安裝在上底板的位移傳感器測得，XYZ三個方向的振動信號經(jīng)安裝在軸承套外的三向加速度計測得并通過電荷放大器放大，再通過接線盒及數(shù)據(jù)采集卡輸入計算機由自行研制開發(fā)的故障診斷軟件處理診斷。
全文摘要
本試驗裝置主要用于對石油鉆井用三牙輪鉆頭的故障診斷。裝置利用變頻器控制減速電機1調(diào)節(jié)鉆頭4的轉(zhuǎn)速，在電機軸旁配置位置傳感器測量轉(zhuǎn)速；鉆頭工作臺5由螺旋千斤頂11推動可在立柱8上上下移動，上行后將給鉆頭工作臺5提供一定的壓力以給鉆頭4加載，壓力的變化由位于螺旋千斤頂11上方的拉壓力傳感器測試反映(見摘要附圖)；鉆頭狀態(tài)信息通過安裝在中心軸套上的三向加速度計測得，系統(tǒng)配置有自行開發(fā)的鉆頭故障診斷軟硬件系統(tǒng)。本發(fā)明的特點是建立了一套小型、功能齊全、使用方便的石油鉆頭故障診斷試驗裝置，可診斷鉆頭是否正常，鉆頭牙輪是否脫落或因軸承故障而引起的牙輪卡死等故障。
文檔編號G01M13/04GK101782459SQ20091026487
公開日2010年7月21日 申請日期2009年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月24日
發(fā)明者萬廣偉, 張志毅, 王留貴, 王魯豫, 裴峻峰, 齊明俠 申請人:江蘇工業(yè)學院